專利名稱：Ii-vi族半導(dǎo)體激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及以MgZnSSe、CdZnSSe或MgCdZnSSe為基本原料，具體性能優(yōu)異、閾值電壓低、工作電壓低的一種Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，且涉及這種激光器的制造方法。
近幾年來(lái)，固態(tài)區(qū)分子束外延(MBE)法、金屬有機(jī)物汽相外延(MOVPE)法和氣態(tài)區(qū)MBE法先后開(kāi)發(fā)出來(lái)了，而且在制造Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器時(shí)用這些方法生成晶體。
在應(yīng)用固態(tài)區(qū)MBE法的晶體制造設(shè)備中，基片固定在大致裝在一個(gè)反應(yīng)室中央的夾持器上。用高速泵(例如離子泵)將反應(yīng)室抽成并維持在超高真空狀態(tài)。然后用在基片上生長(zhǎng)晶體所需的元素和摻質(zhì)轟擊基片。元素和摻質(zhì)以射束的形式從相應(yīng)的發(fā)射元(即加熱爐)發(fā)射出來(lái)，經(jīng)各種物理和化學(xué)過(guò)程，在基片上形成一個(gè)接一個(gè)的重疊層。關(guān)閉和打開(kāi)裝設(shè)在各發(fā)射元發(fā)射口的閘門可以使超晶格便于生成，而且可以控制異質(zhì)結(jié)激光器原子級(jí)的界面厚度。在基片上形成多層結(jié)構(gòu)的過(guò)程中能否吸附各元素和摻質(zhì)，其條件取決于若干因素，例如基片的溫度，基片的表面情況和元素或摻質(zhì)的類型。
用固態(tài)區(qū)MBE法生長(zhǎng)晶體時(shí)，可以形成任何基片晶體的各種化合物或混合晶體，而且還可以精確控制晶體結(jié)構(gòu)元素或摻雜的供應(yīng)量。在氣源MBE法中，氣源代替了固態(tài)區(qū)MBE法中使用的固體源。這兩種方法中晶體的生長(zhǎng)都可以用例如各種電子束衍射器、掃描電子顯微鏡和分析儀等加以監(jiān)控。
MOMBE法是在超高真空室內(nèi)采用有機(jī)金屬材料的一種晶體生長(zhǎng)方法，有機(jī)金屬材料代替了MBE法中使用的固體源或氣源。通常，這類有機(jī)金屬材料在液化或氣化之后也是發(fā)射出去的。因此，這里把氣源MBE和MOMBE總稱為“氣源MBE”。
氣源MBE和固態(tài)區(qū)MBE一樣，也能生成多元素混合晶體和超晶格，但由于氣源MBE必須把氣體分子或有機(jī)金屬分子滲入所發(fā)射的物質(zhì)中，因而發(fā)射元的結(jié)構(gòu)和吸附條件(例如真空室內(nèi)的溫度和壓力)與固態(tài)區(qū)MBE中采用的略有不同。
上面所說(shuō)的MOVPE，在高溫下使有機(jī)金屬材料起反應(yīng)，因而可以使若干類型的化合物晶體及其混合晶體外延生長(zhǎng)。
固態(tài)區(qū)MBE能制造出層狀結(jié)構(gòu)高度精確控制的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器。但這種方法制造出來(lái)的激光器，閾值電壓Vth高(通常15至30伏)，因而提高了激光器各電極之間的電阻。電阻之所以增加，在很大的程度上是由于P型頂層與各電極之間形成的肖特基勢(shì)壘引起的。其后果是，激光器的耗電量特大，產(chǎn)生過(guò)量的熱，因而更迫切需要加大散熱器的容量，從而增大了激光器的體積，同時(shí)縮短了激光器的使用壽命。
至于氣源MBE，雖然能制造出閾值電壓Vth低(通常2.5至7伏)的激光器，但在晶性方面有缺點(diǎn)，因而迄今未付諸實(shí)用。
氣源MBE和固態(tài)區(qū)MBE彼此類似，都要求超高真空，而且其它特點(diǎn)也類似，因而同一臺(tái)設(shè)備可以采用兩種方法。但用氣源MBE制造半導(dǎo)體激光器時(shí)，真空室內(nèi)仍然存在環(huán)境氣體或氣源。這正是迄今沒(méi)有混合使用氣源MBE和固態(tài)區(qū)MBE來(lái)制造半導(dǎo)體激光器的一個(gè)原因。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體激光器制造方法的上述缺點(diǎn)，提供了一種例如以MgZnSSe、CdZnSSe或MgCdZnSSe為基本原料的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器及其制造方法，其中激光器被覆層與電極之間的肖特基電阻減小了，而且不存在對(duì)激光器性能有害的影響。本發(fā)明提供的Ⅱ-Ⅵ族元素半導(dǎo)體激光器，性能優(yōu)異，閾值電壓低，工作電壓也低。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，基片采用了n型基片，頂層是P型層。
按本發(fā)明制造的Ⅱ-Ⅵ族元素半導(dǎo)體激光器，其含有晶體結(jié)構(gòu)元素和摻雜的吸附層在n型基片上以晶體的形式依次形成。從頭一層吸附層到倒數(shù)第二層的P型吸附層是用固態(tài)區(qū)MBE法形成，最后一層的P型吸附層則是用氣態(tài)區(qū)MBE或MOVPE形成的。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，最后一層的P型吸附層是在富有Ⅱ族元素的情況下形成的。


圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的多層結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2是按本發(fā)明制造圖1所示的半導(dǎo)體激光器時(shí)所使用的設(shè)備的示意圖。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述種種缺點(diǎn)，提供了一種以例如MgZnSSe、CdZnSSe或MgCdZnSSe為基本原料的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，其中激光器頂層與電極之間的肖特基電阻減小了，而且不存在對(duì)激光器性能有害的影響。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，基片采用了n型基片，頂層是P型層。
本發(fā)明將固態(tài)區(qū)MBE和氣源MBE結(jié)合起來(lái)使用，因而推翻了這兩種方法是獨(dú)立的、互不相容的制造方法的這一共同接受的看法。因此，本發(fā)明能制造出Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，因?yàn)?1)用固態(tài)區(qū)MBE制造激光器的缺點(diǎn)和用氣源MBE制造激光器的缺點(diǎn)是能同時(shí)加以克服的，同時(shí)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)的;
(2)以連續(xù)工序的方式應(yīng)用這些方法，并采取一些確保各發(fā)射源，即前一些工序在真空室內(nèi)規(guī)定使用的元素或化合物，不致對(duì)以后的工序各步驟產(chǎn)生有害影響的措施，可以提高生產(chǎn)率。
具體地說(shuō)，在本說(shuō)明書(shū)所述的制造Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器的方法中，含晶體結(jié)構(gòu)元素和摻雜的吸附層是通過(guò)在n型基片上依次發(fā)射形成晶體的。第一層吸附層至倒數(shù)第二層的P型吸附層都是用固態(tài)區(qū)MBE法形成的，最后一層的P型吸附層則是用氣態(tài)區(qū)MBE法形成的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，為避免因晶體表面氧化和其它不希望有的變化引起的表面變質(zhì)，可以用MOVPE法代替氣源MBE法。但通常在這些情況下，要在同一個(gè)真空室內(nèi)既實(shí)施固態(tài)區(qū)MBE法又實(shí)施氣源MOVPE法有困難。有鑒于此，上述最后一層的P型吸附層應(yīng)在富有Ⅱ族元素的情況下形成。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，在形成最后一層P型吸附期間，Ⅱ-Ⅵ族元素射束的劑量比最好維持在大約2∶1至大約8∶1的范圍。
按本發(fā)明的方法制造的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器可以制造得使其閾值電壓Vth約為2.5至7伏左右。本發(fā)明可用來(lái)制造單異質(zhì)結(jié)激光器、雙異質(zhì)結(jié)激光器和許多其它類型的條狀半導(dǎo)體激光器和表面發(fā)光半導(dǎo)體激光器。雖然本發(fā)明可以采用n型GaAs基片、n型ZnSe基片和其它各種基片，但通常還是采用n型GaAs基片。
圖1所示的半導(dǎo)體激光器的基層結(jié)構(gòu)包括基片(21)、被覆層(20)、激活層(18)、第二被覆層(16)和頂層(15)。此外，還可以例如在基片與被覆層之間插加一層緩沖層來(lái)改變基層結(jié)構(gòu)。
當(dāng)?shù)谝粚游綄邮蔷彌_層，最后一層吸附層(即毗鄰電極(14)的那一層)是頂層(15)時(shí)，從緩沖層到緊挨頂層的前一層的各層采用固態(tài)區(qū)MBE法外延生長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)(即被覆層/激活層/被覆態(tài)層)的晶性必須維持最高等級(jí)，因?yàn)樗_定了半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的性能。由于這些層是用固態(tài)區(qū)MBE法生長(zhǎng)起來(lái)的(如圖1中編號(hào)12所示)，因此本發(fā)明可制造出性能優(yōu)異的半導(dǎo)體激光器。
在按上述MBE法進(jìn)行生長(zhǎng)工序過(guò)程中真空室內(nèi)的壓力，與周知各種MBE法所采用的相同，而且其等級(jí)最好與超高真空相當(dāng)。此外，各發(fā)射元的加熱溫度視乎采用鎵、砷、鋅還是采用硒而定。
最后一層P型吸附層，例如頂層，可以用氣源MBE或MOVPE法形成(如圖1中編號(hào)10所示)。具體地說(shuō)，晶體可以通過(guò)往真空室內(nèi)注入所要求的氣相形式的元素形成。在本發(fā)明中，這類晶體可以采用所述元素的氫化物或烷基取代生成物使其生長(zhǎng)。這類化合物的具體實(shí)例包括Ⅱ族元素的化合物，例如DMZn(二甲基鋅，以下二甲基以DM表示)、DEZn(二乙基鋅，以下二乙基以DE表示)、DMCd和DECd，還有Ⅵ族元素的化合物，例如H2S、H2Se、DMS、DMSe、DESe、DES、C4H4Se和C4H4S。
頂層用氣源MBE或MOVPE法形成。用這些方法可以降低激光器頂層與位于毗鄰所述頂層一側(cè)的電極之間的肖特基電阻值，從而降低了半導(dǎo)體激光器的閾值電壓和工作電壓。這種現(xiàn)象通常是由于包含在氣源MBE或MOVPE使用的發(fā)射源中(在MOVPE的情況下也包含在載氣中)的氫原子進(jìn)入晶體中，在晶體表面形成厚的受主層，從而降低了肖特基勢(shì)壘所致。
現(xiàn)在參看圖1和圖2就ZnSe為基體的半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
圖2是那種可以以按本發(fā)明制造半導(dǎo)體激光器所使用的MBE工藝設(shè)備的一個(gè)實(shí)例的示意圖。圖中，位置和角度可加以調(diào)節(jié)的基片夾持器01由處在真空室1中心部分的操縱裝置(圖中未示出)安置。真空室1裝有兩個(gè)能發(fā)射出H2S和H2Se的氣體發(fā)射元2A和2B，還裝有能分別發(fā)射出鋅、鎘、鎂、ZnS、硒和ZnCl2的發(fā)射元3A、3B、3C、3D、3E和3F。閘門STR(只在圖2中示出了發(fā)射元2A和2B的閘門)安置在各發(fā)射元前面。此外還配備有電子回旋加速器諧振(ECR)N2發(fā)射元4A。
反應(yīng)室1配備有反射高能電子衍射(RHEED)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括RHEE D電子槍5A、錄下所述電子槍5A發(fā)射的電子束所形成的衍射圖形的CCD攝象機(jī)5B和監(jiān)控器5C。反應(yīng)室中的超高真空是用低溫泵、渦輪泵或其它泵6抽成的。
下面說(shuō)明用上述工藝設(shè)備制造圖1所示具ZnSe為基體的量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的過(guò)程。
(1)用固態(tài)區(qū)MBE法形成激光器從第一層吸附層至倒數(shù)第二層吸附層(緊挨頂層15前面的一層或一部分，圖1中總的用編號(hào)12表示)的各層。用固體源在n-GaAs基片21上形成n-ZnMgSSeCl被覆層20(在本實(shí)例中厚0.8微米)?；瑴囟燃s為280℃。載流子密度(Nd-Na)約為8×1017。依次形成載流子密度與被覆層相同的n-ZnSeCl導(dǎo)光層19(在本實(shí)例中厚60納米)。再形成ZnCdSe激活層18(在本實(shí)例中厚7納米)。接著再形成載流子密度(Na-Nd)約為5×1017的P-ZnSeN導(dǎo)光層17(在本實(shí)例中厚60納米)。接下去再形成載流子密度(Na-Nd)約為2×1017的P-ZnMgSSeN被覆層16(在本實(shí)例中厚0.6微米)和載流子密度(Na-Nd)約為5×1017的P-ZnSeN層23(在本實(shí)例中厚0.6微米)。摻入P型氮雜質(zhì)時(shí)，采用ECR法形成的活性氮。
(2)接著，用氣源MBE法形成最后一層的吸附層，即頂層15。具體地說(shuō)，用H2Se代替用固態(tài)區(qū)MBE法形成的中間生成物中的固體硒形成載流子密度約5×1017至1018(Na-Nd)的P-ZnSeN層(在本實(shí)例中厚0.1微米)，如上面工藝步驟(1)中所述的那樣。
從工藝步驟(1)轉(zhuǎn)到工藝步驟(2)的過(guò)程中無(wú)需特別調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的壓力和溫度。但應(yīng)該指出的是，將工藝步驟(1)過(guò)程中制造出來(lái)的中間生成物加以氧化有時(shí)會(huì)使氣源吸附過(guò)程進(jìn)行得不能令人滿意。因此部分處理好的基片從工藝步驟(1)轉(zhuǎn)入工藝步驟(2)的過(guò)程應(yīng)快速進(jìn)行。
當(dāng)用氣源MBE法在特別富有Ⅱ族元素的情況下(即Ⅱ-Ⅵ族元素射束劑量比約在2∶1至8∶1的范圍內(nèi))生長(zhǎng)頂層時(shí)，不難提高P型載流子的密度，從而使接觸電阻低。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，金屬電極采用n-GaAs，基片22采用銦，P頂層14采用金。
本發(fā)明中使用的氣源應(yīng)含氫。上面說(shuō)過(guò)，一般認(rèn)為氫起深受主的作用，且降低肖特基勢(shì)壘。因此，半導(dǎo)體激光器的閾值電壓降低到大約2.5與7伏之間。
本發(fā)明的上述實(shí)施例中采用了ECR生成的活性氮，但也可以采用RF(射頻)等離子體生成的活性氮?；瑴囟纫部扇拇蠹s230℃至大約450℃的范圍。激光器還可以在高于1017的載流子密度下工作。提高載流子密度對(duì)工作電壓有利。但載流子密度過(guò)高卻對(duì)晶性具有不利的影響，通常認(rèn)為載流子密度的極限值約為5×1019。
層厚和結(jié)構(gòu)材料方面都可根據(jù)例如所需要產(chǎn)生的波長(zhǎng)和輸出等性能加以改變。舉例說(shuō)，可以構(gòu)成下述結(jié)構(gòu)n-GaAs基片+n-ZnSSe被覆層+n-ZnSe導(dǎo)光層+ZnCdSe/ZnSe量子阱激活層+P-ZnSe導(dǎo)光層+P-ZnSSe被覆層+P-ZnSSe頂層。除H2Se外，還可以采用HS2來(lái)生長(zhǎng)頂層。
電極，特別是在n-GaAs基片一側(cè)的電極，可以采用任何電阻材料。此外鉑或鈀還可以與金一起用作P側(cè)電極。而且還可以在基片上先生長(zhǎng)出n-GaAs緩沖層以制取更好的晶體。
由表1至表4是可以用來(lái)生長(zhǎng)ZnMgSSe/ZnCdSSe的源的具體實(shí)例。
表一固態(tài)區(qū)MBE(280℃/230°450℃) 表二氣源MBE(280℃/230°450℃;發(fā)射源不是有機(jī)金屬)
表三MOMBE(280℃/230°至450℃) 表3中，TM和TE分別表示三甲基和三乙基。
表四MOVPE(MOSVD)500℃/350°650℃;載氣通常為H)
表4中，TM和TE分別表示三甲基和三乙基。
本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)具有若干優(yōu)點(diǎn)，例如，頂層與電極之間的肖特基電阻值減小了，因此(a)可以減少半導(dǎo)體激光器發(fā)出的熱量，因而無(wú)需采取吸熱措施或者需要的話，要求也不太嚴(yán)，而且激光器可以制造得更小巧;
(b)半導(dǎo)體激光器比起過(guò)去制造的激光器來(lái)，使用壽命更長(zhǎng)、發(fā)光效率更高，而且可靠性更高。
雖然這里是就最佳實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容的，但本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都不難理解，在不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，是可以用其它材料和用途代替本說(shuō)明書(shū)中所提出的相應(yīng)部分的。因此，本發(fā)明應(yīng)僅受下面所附權(quán)利要求書(shū)的限制。
權(quán)利要求
1.一種Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，包括一個(gè)n型基片；和多個(gè)吸附層，含有晶體結(jié)構(gòu)元素和摻雜雜質(zhì)，各吸附層在所述基片上形成；其特征在于，所有從第一吸附層至倒數(shù)第二的P型吸附層都用固態(tài)區(qū)分子束外延(MBE)法形成；而最后一層的P型吸附層則是用氣態(tài)區(qū)MBE法或金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)法形成。
2.如權(quán)利要求1所述的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述最后一層的P型吸附層是在富有Ⅱ族元素的情況下形成的。
3.如權(quán)利要求2所述的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在形成所述最后一層P型吸附層的過(guò)程中，保持Ⅱ-Ⅵ族元素射束的劑量比在大約2∶1至8;1的范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述最后一層P型吸附層是用含氫的氣源形成的。
5.一種制造Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器的方法，其特征在于，它包括下列步驟用固態(tài)區(qū)分子束外延(MBE)法在n型基片上形成從第一層吸附層至倒數(shù)第二層P型吸附層的多層含晶體結(jié)構(gòu)元素和摻雜的吸附層;用氣態(tài)區(qū)MBE或金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)法在基片上形成最后一層的P型吸附層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，它還包括在富有Ⅱ族元素的情況下形成所述最后一層P型吸附層的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，它還包括在形成所述最后一層P型吸附層的過(guò)程中保持Ⅱ-Ⅵ元素劑量比在大約2∶1至大約8∶1的范圍的步驟。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，它還包括用含氫的氣源形成所述最后一層P型吸附層的步驟。
9.一種按權(quán)利要求5的工藝制造的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
一種以MgZnSSe、CdZnSSe或MgCdZnSSe為基體的II-VI族半導(dǎo)體激光器，其n型基片上依次生長(zhǎng)有多層含晶體結(jié)構(gòu)元素和摻雜的晶體吸附層，其中第一吸附層至倒數(shù)第二層的P型吸附層是用固態(tài)區(qū)MBE法形成的，最后一層P型吸附層則用氣態(tài)區(qū)MBE或MOVPE法形成，且最后一層的P型吸附層最好在富有II族元素的情況下生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1113355SQ95100650
公開(kāi)日1995年12月13日 申請(qǐng)日期1995年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月23日
發(fā)明者N·山田 申請(qǐng)人:惠普公司